光的量子性与激光.ppt

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1、光的量子性与激光光的量子性与激光12/23/20220光的量子性与激光光的量子性与激光研究的主要问题：研究的主要问题：黑体辐射规律与普朗克公式；黑体辐射规律与普朗克公式；光量子的提出与发展；光量子的提出与发展；激光的形成和特性。激光的形成和特性。要点：要点：1.1.普朗克对黑体辐射规律的解释；普朗克对黑体辐射规律的解释；2.2.从光量子到波粒二象性；从光量子到波粒二象性；3.3.激光的产生条件和特性。激光的产生条件和特性。12/23/20221光的量子性与激光光的量子性与激光热辐射：热辐射：热辐射：热辐射：按按按按照照照照能能能能量量量量转转转转化化化化的的的的特特特特点点点点，可可可可将将将

2、将物物物物体体体体发发发发射射射射辐辐辐辐射射射射的的的的方方方方式分为两大类：式分为两大类：式分为两大类：式分为两大类：1.1.由由由由原原原原子子子子或或或或分分分分子子子子内内内内部部部部运运运运动动动动能能能能量量量量转转转转变变变变为为为为辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的过程称为过程称为过程称为过程称为发光发光发光发光。电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；2.2.发发发发射射射射的的的的辐辐辐辐射射射射能能能能是是是是由由由由物物

3、物物体体体体中中中中原原原原子子子子、分分分分子子子子的的的的热热热热运运运运动动动动能能能能量量量量转转转转变变变变而而而而来来来来，即即即即热热热热运运运运动动动动能能能能量量量量转转转转变变变变为为为为辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的过程称为过程称为过程称为过程称为热辐射热辐射热辐射热辐射。若若若若物物物物体体体体从从从从外外外外界界界界吸吸吸吸收收收收的的的的热热热热量量量量恰恰恰恰好好好好等等等等于于于于因因因因辐辐辐辐射射射射而而而而减减减减小的能量，该热辐射称为平衡热辐射小的能量，该热辐射称为平衡热辐射小的能量，该热辐射称为平衡热辐射小的能量，该热辐射称为平衡热辐射(温度辐射温度

4、辐射温度辐射温度辐射)。热辐射的光谱是连续光谱。热辐射的光谱是连续光谱。热辐射的光谱是连续光谱。热辐射的光谱是连续光谱。1 热辐射和基尔霍夫定律热辐射和基尔霍夫定律12/23/20222光的量子性与激光光的量子性与激光基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：定定定定义义义义辐辐辐辐射射射射体体体体在在在在其其其其波波波波长长长长 附附附附近近近近的的的的单单单单位位位位波波波波长长长长间间间间隔隔隔隔内的辐出度为内的辐出度为内的辐出度为内的辐出度为单色辐出度单色辐出度单色辐出度单色辐出度：物体在其波长物体在其波长物体在其波长物体在其波长 附近的单位波长间隔内的吸收率，附近的单位

5、波长间隔内的吸收率，附近的单位波长间隔内的吸收率，附近的单位波长间隔内的吸收率，称为称为称为称为单色吸收率单色吸收率单色吸收率单色吸收率：基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体，基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体，基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体，基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体，其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波长其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波长其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波长其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波长的普适函数，与物体的性质无关。的普适函数，与物体的性质无关。的普适函数，与物体的性质无关。的普适函数，与物体的性质无关。12/23/20223

6、光的量子性与激光光的量子性与激光12/23/20224光的量子性与激光光的量子性与激光黑体黑体黑体黑体：(,T T)1)1且与波长且与波长且与波长且与波长 无关的物体称为无关的物体称为无关的物体称为无关的物体称为灰体灰体灰体灰体。在任何温度下，对在任何温度下，对在任何温度下，对在任何温度下，对任何波长的单色吸收任何波长的单色吸收任何波长的单色吸收任何波长的单色吸收率均恒等于率均恒等于率均恒等于率均恒等于1 1的物体称的物体称的物体称的物体称为为为为绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体。此时：。此时：。此时：。此时：12/23/20225光的量子性与激光光的量子性与激光平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡

7、辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度：面元面元面元面元d ds s所张立体角所张立体角所张立体角所张立体角 试试试试推导在平衡辐射推导在平衡辐射推导在平衡辐射推导在平衡辐射时黑体的单色辐出度时黑体的单色辐出度时黑体的单色辐出度时黑体的单色辐出度 (,T T)与单色辐射能与单色辐射能与单色辐射能与单色辐射能量体密度量体密度量体密度量体密度u u(,T T)的关的关的关的关系。系。系。系。内传播的能量为：内传播的能量为：内传播的能量为：内传播的能量为：12/23/20226光的量子性与激光光的量子性与激光平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡

8、辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度：在在在在 t t时间内通过时间内通过时间内通过时间内通过d ds s的总能量为：的总能量为：的总能量为：的总能量为：12/23/20227光的量子性与激光光的量子性与激光平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度平衡辐射时黑体的单色辐出度：平衡状态下，黑体单位平衡状态下，黑体单位平衡状态下，黑体单位平衡状态下，黑体单位面积发出的辐射能等于吸面积发出的辐射能等于吸面积发出的辐射能等于吸面积发出的辐射能等于吸收的辐射能，故：收的辐射能，故：收的辐射能，故：收的辐射能，故：12/23/20228光的量子性与激光光的

9、量子性与激光2 黑体的经典辐射定律黑体的经典辐射定律黑体辐射谱：黑体辐射谱：黑体辐射谱：黑体辐射谱：黑体辐射谱测试图黑体辐射谱测试图黑体辐射谱测试图黑体辐射谱测试图黑体辐射谱黑体辐射谱黑体辐射谱黑体辐射谱12/23/20229光的量子性与激光光的量子性与激光黑体辐射的实验定律：黑体辐射的实验定律：黑体辐射的实验定律：黑体辐射的实验定律：1.Stefan-Boltzmann(1.Stefan-Boltzmann(斯特藩斯特藩斯特藩斯特藩-波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼)定律定律定律定律 =5.6710=5.6710-8-8 W/(m W/(m2 2 KK4 4)，Stefan-Boltzman

10、nStefan-Boltzmann常数。常数。常数。常数。b b=2.89810=2.89810-3-3 m m KK，WienWien常数。常数。常数。常数。绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：2.Wien(2.Wien(维恩维恩维恩维恩)位移定律位移定律位移定律位移定律 任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值所在波长与绝对黑体的温度成反比。

11、所在波长与绝对黑体的温度成反比。所在波长与绝对黑体的温度成反比。所在波长与绝对黑体的温度成反比。12/23/202210光的量子性与激光光的量子性与激光黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：黑体辐射的经典理论公式与实验曲线的矛盾：想想想想从从从从经经经经典典典典理理理理论论论论中中中中寻寻寻寻求求求求函函函函数数数数的的的的解解解解析析析析形形形形式式式式的的的的尝尝尝尝试试试试都都都都遭遭遭遭到到到到了了了了失失失失败败败败，若若若若干干干干失失失失败败败败的的的的教教教教训训训训却却却却为为为为最最最最后后后

12、后的的的的成成成成功打开了道路。功打开了道路。功打开了道路。功打开了道路。1.Wien 1.Wien公式的导出思路公式的导出思路公式的导出思路公式的导出思路 假假假假设设设设黑黑黑黑体体体体的的的的辐辐辐辐射射射射由由由由许许许许多多多多可可可可以以以以看看看看成成成成谐谐谐谐振振振振子子子子的的的的分分分分子子子子发发发发射射射射的的的的，辐辐辐辐射射射射的的的的频频频频率率率率 只只只只与与与与分分分分子子子子的的的的速速速速度度度度v v有有有有关关关关，因因因因此此此此辐辐辐辐射射射射能能能能量量量量按按按按频频频频率率率率的的的的分分分分布布布布应应应应和和和和MaxwellMaxw

13、ell分分分分布布布布相相相相似，即：似，即：似，即：似，即：12/23/202211光的量子性与激光光的量子性与激光 瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的平均能量

14、为平均能量为平均能量为平均能量为kTkT，因此：因此：因此：因此：瑞利瑞利瑞利瑞利金斯公式金斯公式金斯公式金斯公式或：或：或：或：12/23/202212光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克的研究普朗克的研究普朗克的研究普朗克的研究：1.1.普朗克经验公式：普朗克经验公式：普朗克经验公式：普朗克经验公式：3 普朗克辐射公式普朗克辐射公式 能量子能量子12/23/202213光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克假设，黑体是由极多的带电的线性谐普朗克假设，黑体是由极多的带电的线性谐普朗克假设，黑体是由极多的带电的线性谐普朗克假设，

15、黑体是由极多的带电的线性谐振子所组成，这些谐振子辐射电磁波，并与周振子所组成，这些谐振子辐射电磁波，并与周振子所组成，这些谐振子辐射电磁波，并与周振子所组成，这些谐振子辐射电磁波，并与周围电磁场交换能量。设在温度为围电磁场交换能量。设在温度为围电磁场交换能量。设在温度为围电磁场交换能量。设在温度为T T的热平衡状的热平衡状的热平衡状的热平衡状态，频率为态，频率为态，频率为态，频率为 的谐振子的平均能量为的谐振子的平均能量为的谐振子的平均能量为的谐振子的平均能量为 。由电磁理论可以证明，此时辐射能量的体由电磁理论可以证明，此时辐射能量的体由电磁理论可以证明，此时辐射能量的体由电磁理论可以证明，此

16、时辐射能量的体密度为：密度为：密度为：密度为：故黑体辐射的单色辐出度为：故黑体辐射的单色辐出度为：故黑体辐射的单色辐出度为：故黑体辐射的单色辐出度为：12/23/202214光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：由由由由波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼分分分分布布布布，热热热热平平平平衡衡衡衡下下下下，能能能能量量量量为为为为 的的的的几几几几率率率率正比于正比于正比于正比于e e-/kT/kT：这个结果对应的，正是瑞利这个结果对应的，正是瑞利这个结果对应的，正是瑞利这个结果对应的，正是瑞利金斯公式。金斯公式。金斯公式。金斯公式。普朗克

17、意识到，失败的原因就是引用了普朗克意识到，失败的原因就是引用了普朗克意识到，失败的原因就是引用了普朗克意识到，失败的原因就是引用了“谐振谐振谐振谐振子的能量是连续变化的子的能量是连续变化的子的能量是连续变化的子的能量是连续变化的”这个概念；他考虑谐振这个概念；他考虑谐振这个概念；他考虑谐振这个概念；他考虑谐振子的能量是不连续变化的，只能取一些子的能量是不连续变化的，只能取一些子的能量是不连续变化的，只能取一些子的能量是不连续变化的，只能取一些分立值分立值分立值分立值，这些分立值是某一最小能量这些分立值是某一最小能量这些分立值是某一最小能量这些分立值是某一最小能量 0 0的整数倍。的整数倍。的整

18、数倍。的整数倍。12/23/202215光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：若若若若考考考考虑虑虑虑频频频频率率率率为为为为 的的的的谐谐谐谐振振振振子子子子，最最最最小小小小能能能能量量量量是是是是：0 0=h h ，h h=6.63617610=6.63617610-34-34 J J s s 由由由由波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼分分分分布布布布，谐谐谐谐振振振振子子子子处处处处于于于于能能能能量量量量n n 0 0状状状状态态态态的几率与的几率与的几率与的几率与e e-/kT/kT成正比。成正比。成正比。成正比。12/23/

19、202216光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：代入得：代入得：代入得：代入得：普朗克普朗克公式公式12/23/202217光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：普朗克辐射公式：由普朗克公式导出：由普朗克公式导出：由普朗克公式导出：由普朗克公式导出：对波长辐出度求极大值，得超越方程：对波长辐出度求极大值，得超越方程：对波长辐出度求极大值，得超越方程：对波长辐出度求极大值，得超越方程：12/23/202218光的量子性与激光光的量子性与激光普朗克辐射公式的讨论：普朗克辐射公式的讨论：普朗克辐射公

20、式的讨论：普朗克辐射公式的讨论：普普普普朗朗朗朗克克克克在在在在推推推推导导导导过过过过程程程程中中中中仍仍仍仍然然然然使使使使用用用用了了了了经经经经典典典典的的的的波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼分分分分布布布布，且且且且最最最最小小小小能能能能量量量量为为为为零零零零；实实实实际际际际上上上上振振振振子子子子在在在在最最最最低低低低的的的的能能能能量量量量状状状状态态态态，也也也也还还还还有有有有能能能能量量量量h h /2/2。玻玻玻玻色色色色和和和和爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦应应应应用用用用量量量量子子子子统统统统计计计计，重重重重新新新新导导导导出出出出了了了了普普普普朗朗朗

21、朗克克克克辐辐辐辐射射射射公公公公式式式式，并并并并消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。普朗克获得普朗克获得普朗克获得普朗克获得1918191819181918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。12/23/202219光的量子性与激光光的量子性与激光 利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，利用黑体辐射定律来测定高温物体的温度，称为称为称为称为光测高温法光测高温

22、法光测高温法光测高温法。如如如如果果果果被被被被测测测测物物物物体体体体的的的的光光光光谱谱谱谱分分分分布布布布曲曲曲曲线线线线和和和和绝绝绝绝对对对对黑黑黑黑体体体体在在在在某某某某一一一一温温温温度度度度T T0 0时时时时的的的的普普普普朗朗朗朗克克克克曲曲曲曲线线线线相相相相似似似似，则则则则温温温温度度度度T T0 0称称称称为被测物体的为被测物体的为被测物体的为被测物体的色温度色温度色温度色温度。4 光测高温法光测高温法色温法：色温法：色温法：色温法：12/23/202220光的量子性与激光光的量子性与激光亮温法：亮温法：亮温法：亮温法：对对对对所所所所选选选选择择择择的的的的波波

23、波波长长长长（通通通通过过过过滤滤滤滤色色色色片片片片选选选选择择择择），若若若若其其其其亮亮亮亮度度度度和和和和灯灯灯灯丝丝丝丝发发发发出出出出的的的的该该该该谱谱谱谱线线线线亮亮亮亮度度度度相相相相等等等等，则则则则认认认认为为为为二二二二物物物物体体体体温温温温度度度度一一一一致致致致，该该该该温温温温度度度度称为称为称为称为亮温度亮温度亮温度亮温度。12/23/202221光的量子性与激光光的量子性与激光辐射温度法：辐射温度法：辐射温度法：辐射温度法：仪仪仪仪器器器器接接接接收收收收到到到到的的的的辐辐辐辐射射射射能能能能正正正正比比比比于于于于象象象象的的的的辐辐辐辐照照照照度度度度

24、，即即即即正正正正比比比比于于于于物物物物的的的的辐辐辐辐亮亮亮亮度度度度。对对对对于于于于绝绝绝绝对对对对黑黑黑黑体体体体，其其其其辐辐辐辐亮亮亮亮度度度度正比于正比于正比于正比于T T4 4，故由此读出的温度称为辐射温度。故由此读出的温度称为辐射温度。故由此读出的温度称为辐射温度。故由此读出的温度称为辐射温度。提问：各种方法的误差可能何在？有其它相似提问：各种方法的误差可能何在？有其它相似提问：各种方法的误差可能何在？有其它相似提问：各种方法的误差可能何在？有其它相似方法可以光测高温吗？方法可以光测高温吗？方法可以光测高温吗？方法可以光测高温吗？12/23/202222光的量子性与激光光的

25、量子性与激光5 光电效应光电效应光电效应的光电效应的光电效应的光电效应的实验规律实验规律实验规律实验规律赫兹：赫兹：18861887 勒纳德：勒纳德：1889UGAK实验装置实验装置G：测量光电流：测量光电流U：测量：测量AK电压电压*I 随着随着UAK 增加而增加直至某一饱增加而增加直至某一饱和和 电流电流 Is。Is与光照强度成正比。与光照强度成正比。*截至电压截至电压Ua 0.UAKIs2Is1Ua实验结果实验结果12/23/202223光的量子性与激光光的量子性与激光U03U02U01312UIIS0入射光强度相同但频率不同入射光强度相同但频率不同*光电子的初动能与入射光强度光电子的初

26、动能与入射光强度无关，而与入射光的频率有关。无关，而与入射光的频率有关。截止电压的大小反映光电子初动能的大小：截止电压的大小反映光电子初动能的大小：截止电压与入射光频率成线性截止电压与入射光频率成线性.红限频率红限频率4.06.08.0 10.0 (1014Hz)0.01.02.0-Ua(V)CsNaCa能量能量12/23/202224光的量子性与激光光的量子性与激光*光电子初动能依赖光频；光电子初动能依赖光频；经典经典认为光强越大，饱和电流应该大，光认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大。但实验上饱和电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，电流不仅与光强

27、有关而且与频率有关，光电子初动能取决于光频率。光电子初动能取决于光频率。经典理论解释光电效应的困难：经典理论解释光电效应的困难：经典理论解释光电效应的困难：经典理论解释光电效应的困难：*红限频率；红限频率；只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为光而经典认为光电效应只依赖光强，而不应与频率有关。电效应只依赖光强，而不应与频率有关。*瞬时性瞬时性。光电效应具有瞬时性，其响应速度很快光电效应具有瞬时性，其响应速度很快 10-9 秒。秒。经典认为光能量分布在波面上

28、，吸收能量要时间。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间。UGAK12/23/202225光的量子性与激光光的量子性与激光19051905年，爱因斯坦在能量子假说基础上提出光子理论：年，爱因斯坦在能量子假说基础上提出光子理论：年，爱因斯坦在能量子假说基础上提出光子理论：年，爱因斯坦在能量子假说基础上提出光子理论：认为光不仅在与物质相互认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收），作用时（发射和吸收），具有粒子性，而且在传播具有粒子性，而且在传播过程中也有过程中也有粒子性粒子性。一个频率为一个频率为 的光子具有能量：的光子具有能量：由能量守恒可得出：光电效应中，一个电子逸出金由能量守恒可得出：

29、光电效应中，一个电子逸出金由能量守恒可得出：光电效应中，一个电子逸出金由能量守恒可得出：光电效应中，一个电子逸出金属表面后的最大动能：属表面后的最大动能：属表面后的最大动能：属表面后的最大动能：A只与金属性质有关，与光的频率无关。只与金属性质有关，与光的频率无关。A 称为称为逸出功逸出功。爱因斯坦光电方程爱因斯坦光电方程获得获得19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖光由一群能量分立即量子化，且以光速运动的粒子（光子）组成。爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说12/23/202226光的量子性与激光光的量子性与激光*解释截止电压与频率成线性关系以解释

30、截止电压与频率成线性关系以解释截止电压与频率成线性关系以解释截止电压与频率成线性关系以及红限频率的存在。及红限频率的存在。及红限频率的存在。及红限频率的存在。*光照射阴极板时，电子吸收光子能量光照射阴极板时，电子吸收光子能量光照射阴极板时，电子吸收光子能量光照射阴极板时，电子吸收光子能量 解释光电解释光电解释光电解释光电效应几乎瞬时产生。效应几乎瞬时产生。效应几乎瞬时产生。效应几乎瞬时产生。*饱和光电流强度与光强成正比饱和光电流强度与光强成正比饱和光电流强度与光强成正比饱和光电流强度与光强成正比-参与作用的光子数多参与作用的光子数多参与作用的光子数多参与作用的光子数多爱因斯坦的光子学说爱因斯坦

31、的光子学说爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说12/23/202227光的量子性与激光光的量子性与激光1916年，密立根实验证实了光子论的正确性，并测得年，密立根实验证实了光子论的正确性，并测得h=6.57 10-34 焦耳焦耳秒。光的波动性（秒。光的波动性（p）和粒子性（和粒子性（）是）是通过普朗克常数联系在一起的。通过普朗克常数联系在一起的。相对论质能关系：相对论质能关系：光子的静止质量为零光子的静止质量为零!因为：光子的动量：光子的动量：光子的能量、动量和质量光子的能量、动量和质量光子的质量：光子的质量：获得获得19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖波粒二像性波粒二像性光的波粒

32、二象性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性12/23/202228光的量子性与激光光的量子性与激光6 康普顿效应康普顿效应(19221923)12/23/202229光的量子性与激光光的量子性与激光1.1.X射射线线在在石石墨墨上上的的散射散射实验结果：实验结果：准直系统准直系统入射光入射光 0 散射光散射光 探测器探测器石墨石墨散射体散射体 (1)散射的射线中有与散射的射线中有与 入射波长入射波长 相同的射相同的射线线,也有波长也有波长 的射线的射线.(2)散射线中波长的改变量散射线中波长的改变量 随散射随散射角角 的增加而增加。的增加而增加。(3)同一散射角下同一散射角下 相同相同,

33、与散射物质无关；与散射物质无关；原子量较小的物质，康普顿散射较强。原子量较小的物质，康普顿散射较强。康普顿康普顿波长波长I =0o I=45oI =90oI =135o 0康普顿散射12/23/202230光的量子性与激光光的量子性与激光（2 2）康普顿的解释：）康普顿的解释：X射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰弹性碰撞撞:碰撞过程中能量与动量守恒：碰撞过程中能量与动量守恒：2.2.康普顿效应验证光的量子性康普顿效应验证光的量子性（1 1）经典电磁理论的困难：）经典电磁理论的困难：碰撞前：碰撞前：X射线光子射线光子（104105 eV）电电 子子 （百分之几（百分之

34、几eV）反冲电子反冲电子12/23/202231光的量子性与激光光的量子性与激光波长偏移：波长偏移：(4)2-(3)得12/23/202232光的量子性与激光光的量子性与激光 X射线光子与束缚很紧的电子碰撞射线光子与束缚很紧的电子碰撞:可见可见：与与 0 0无关，无关，只与散射角只与散射角 有关，有关，、。X射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰撞；弹性碰撞；X射线光子与束缚很紧的电子碰撞：射线光子与束缚很紧的电子碰撞：由上面两点可推知：由上面两点可推知：原子量较大的物质，电子束缚很紧原子量较大的物质，电子束缚很紧原子量较小的物质，电子束缚很弱原子量较小的物质，电子束缚

35、很弱 自由电子自由电子康散射较弱康散射较弱12/23/202233光的量子性与激光光的量子性与激光3.3.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义 康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒二象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格二象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。遵守能量、动量守恒定律。1923 1923年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨迹；验

36、证了康普顿解释迹；验证了康普顿解释迹；验证了康普顿解释迹；验证了康普顿解释合得合得19271927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖12/23/202234光的量子性与激光光的量子性与激光4.4.康普顿散射与光电效应的区别康普顿散射与光电效应的区别(1)(1)康普顿康普顿效应中光子被散射效应中光子被散射,只将部分能量交给自由电子，而只将部分能量交给自由电子，而光光电效应电效应中光子被束缚电荷整个吸收。中光子被束缚电荷整个吸收。康普顿康普顿效应中光子的能量不能被自由电子全部吸收效应中光子的能量不能被自由电子全部吸收?反证：假设电子完全吸收光子的能量反证：假设电子完全吸收光子的能量 hv由能量守恒：

37、由能量守恒：由动量守恒：由动量守恒：(2)在光电效应中会观测到康普顿效应在光电效应中会观测到康普顿效应?例例:康普顿效应中最大偏转角康普顿效应中最大偏转角 ,入射光波入射光波观察不到观察不到若是若是入射波长与入射波长与 C时康普顿效应才显著时康普顿效应才显著12/23/202235光的量子性与激光光的量子性与激光先释放后吸收ee反冲电子反冲电子先吸收后释放ee反冲电子反冲电子康普顿解释中部分能量传递给电子与光子概念矛盾康普顿解释中部分能量传递给电子与光子概念矛盾?12/23/202236光的量子性与激光光的量子性与激光历历 史史 回回 顾顾旧量子论：旧量子论：普朗克的能量子假设普朗克的能量子假

38、设爱因斯坦的光子说、康普顿效应爱因斯坦的光子说、康普顿效应玻尔的氢原子模型、量子态玻尔的氢原子模型、量子态经典物理中的波和粒子、光的波粒二象性经典物理中的波和粒子、光的波粒二象性 经典物理：证实了光的波动性经典物理：证实了光的波动性早期量子论：证实光的波粒二象性早期量子论：证实光的波粒二象性波动性波动性 微粒性微粒性 h7 波粒二象性波粒二象性12/23/202237光的量子性与激光光的量子性与激光1918年、普朗克普朗克、能量子 （1900）1921年、爱因斯坦爱因斯坦、光子说和光电效应解释 （1905）1922年、玻尔玻尔、原子模型及其发光（1913）1923年、密立根密立根、电子电量测量

39、(1911)和h的测量(1914)1925年、弗兰克和赫兹弗兰克和赫兹、电子原子碰撞实验 （1914）1927年、康普顿和威尔逊康普顿和威尔逊、康普顿效应(1922)1929年、德布罗意德布罗意、物质波（1924）1932年、海森伯格海森伯格、量子力学（1925）1933年、薛定鄂和狄拉克薛定鄂和狄拉克、量子波动力学(1925、1927)1937年、戴维逊和汤姆逊戴维逊和汤姆逊、电子衍射实验（1927）1945年、泡利泡利、泡利不相容原理（1924）1954年、玻恩玻恩、波函数统计解释（1926）1986年、毕宁和罗尔毕宁和罗尔、扫描隧道显微镜（1981）12/23/202238光的量子性与激

40、光光的量子性与激光 经典物理：证实了光的波动性经典物理：证实了光的波动性早期量子论：证实光的波粒二象性早期量子论：证实光的波粒二象性波动性波动性 19241924年，德布罗意提出，实物粒子（电年，德布罗意提出，实物粒子（电子、质子、中子、分子、子、质子、中子、分子、）也具有）也具有波粒二象性波粒二象性.一、物质波的提出一、物质波的提出 微粒性微粒性 h 质量质量 m1.德布罗意物质波假设德布罗意物质波假设 速度速度 V自由粒子自由粒子具有：具有：能量能量 E 动量动量 P波长波长 频率频率 德布罗意关系德布罗意关系12/23/202239光的量子性与激光光的量子性与激光物质波物质波:在微观上，

41、如电子在微观上，如电子m=9.1 10-31Kg，速度，速度V=5.0 107m/s,对对应的德布罗意波长为：应的德布罗意波长为：在宏观上，如飞行的子弹在宏观上，如飞行的子弹m=10-2Kg，速度，速度V=5.0 102m/s,对应对应的德布罗意波长为：的德布罗意波长为：太小测不到！太小测不到！1924年，德布罗意的博士论文量子理论研究年，德布罗意的博士论文量子理论研究获得获得19291929年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖12/23/202240光的量子性与激光光的量子性与激光电子驻波德布罗意还指出：德布罗意还指出：德布罗意还指出：德布罗意还指出：氢原子中电子的圆轨道运动，它所对氢原子中电子

42、的圆轨道运动，它所对氢原子中电子的圆轨道运动，它所对氢原子中电子的圆轨道运动，它所对应的物质波形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。应的物质波形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。应的物质波形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。应的物质波形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。再根据再根据德布罗意关系德布罗意关系得出角动量量子化条件得出角动量量子化条件德布罗意关系与爱因斯坦质能关系有着同样重要意义。德布罗意关系与爱因斯坦质能关系有着同样重要意义。光速光速c c 是个是个“大大”常数；普朗克常数常数；普朗克常数 h h 是个是个“小小”常数。常数。12/23/202241光的量子性与激光光的量子性与激光2

43、.自由粒子的德布罗意波长自由粒子的德布罗意波长若自由电子是经过电场若自由电子是经过电场 U 加速，则有加速，则有例：例：电子经电场加速，加速电压电子经电场加速，加速电压U=100V、U=10000V，电子的德，电子的德布罗意波长布罗意波长=？电子的德布罗意电子的德布罗意波长很短波长很短!1.230.123自由粒子运动速度自由粒子运动速度12/23/202242光的量子性与激光光的量子性与激光实验结果：实验结果：当加速电压当加速电压U=54v，在，在 散射角散射角 =500处，射线强度有一极大。处，射线强度有一极大。GANi晶体晶体(1).戴维逊戴维逊革末电子衍射实验革末电子衍射实验(1927)

44、：3.物质波的实验验证物质波的实验验证d0 0d12/23/202243光的量子性与激光光的量子性与激光实验结果：实验结果：U=54v，在，在 =500处，射线强度有一极大。处，射线强度有一极大。德氏电子波长：德氏电子波长：Ni的晶格常数：的晶格常数：d 0=2.15取取 k=1理论值与实验理论值与实验值吻合较好值吻合较好!GANi晶体晶体(1).戴维逊戴维逊革末电子衍射实验革末电子衍射实验(1927)：d0 0d12/23/202244光的量子性与激光光的量子性与激光(2).电子不仅在反射时有衍射现象，电子不仅在反射时有衍射现象，汤姆汤姆逊逊实验证明了电子在穿过金属片后也象实验证明了电子在穿

45、过金属片后也象X 射射线一样产生衍射现象。线一样产生衍射现象。戴维逊和汤姆逊因验证电子戴维逊和汤姆逊因验证电子的波动性分享的波动性分享19371937年的物理年的物理学诺贝尔奖金学诺贝尔奖金.（汤姆逊（汤姆逊1927）（约恩逊（约恩逊1961)12/23/202245光的量子性与激光光的量子性与激光(3).量子围栏量子围栏1993年，等人年，等人 Science,1993,262：218。用扫描隧道显微镜技术，把蒸发到铜表面上的用扫描隧道显微镜技术，把蒸发到铜表面上的48个铁原子排列个铁原子排列成圆环形的量子围栏，实验观测到了在围栏内形成的同心圆状成圆环形的量子围栏，实验观测到了在围栏内形成的

46、同心圆状的驻波，它直观地证实了电子的波动性。的驻波，它直观地证实了电子的波动性。在量子围栏内，铜的表面在量子围栏内，铜的表面电子波受到铁原子的强散电子波受到铁原子的强散射作用，与入射的电子波射作用，与入射的电子波发生干涉，形成驻波。发生干涉，形成驻波。量子围栏12/23/202246光的量子性与激光光的量子性与激光原子能级及粒子数的正常分布原子能级及粒子数的正常分布原子能级及粒子数的正常分布原子能级及粒子数的正常分布 原原原原子子子子每每每每一一一一个个个个能能能能量量量量状状状状态态态态称称称称为为为为原原原原子子子子的的的的一一一一个个个个能能能能级级级级，其其其其中中中中最最最最低低低低

47、的的的的能能能能级级级级称称称称为为为为基基基基态态态态，高高高高于于于于基基基基态态态态的的的的其其其其余余余余各各各各能能能能级级级级称为称为称为称为激发态激发态激发态激发态。8 光子和原子系统的相互作用光子和原子系统的相互作用 若若若若原原原原子子子子处处处处于于于于热热热热平平平平衡衡衡衡，各各各各能能能能级级级级上上上上粒粒粒粒子子子子数数数数目目目目的的的的分分分分布将服从布将服从布将服从布将服从波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼正则分布律。正则分布律。正则分布律。正则分布律。室温下，绝大部分原子处于基态。室温下，绝大部分原子处于基态。室温下，绝大部分原子处于基态。室温下，绝大部分原

48、子处于基态。12/23/202247光的量子性与激光光的量子性与激光光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收1.1.自发发射自发发射自发发射自发发射 处处处处于于于于高高高高能能能能级级级级的的的的原原原原子子子子，自自自自发发发发跃跃跃跃迁迁迁迁到到到到低低低低能能能能级级级级上上上上，并辐射出一个光子的过程，称为并辐射出一个光子的过程，称为并辐射出一个光子的过程，称为并辐射出一个光子的过程，称为自发发射自发发射自发发射自发发射。自自自自发发发发发发发发射射射射是是是是一一一一个个个个随随随随机机机机过过

49、过过程程程程，处处处处于于于于高高高高能能能能级级级级的的的的各各各各个个个个原原原原子子子子随随随随时时时时地地地地、独独独独立立立立地地地地自自自自发发发发发发发发射射射射光光光光子子子子，形形形形成成成成一一一一串串串串串串串串波波波波列列列列。这这这这些些些些波波波波列列列列在在在在位位位位相相相相、偏偏偏偏振振振振态态态态和和和和传传传传播播播播方方方方向向向向上上上上都都都都彼彼彼彼此此此此无无无无关关关关，因因因因此此此此自自自自发发发发发发发发射射射射的的的的光光光光波波波波是是是是非非非非相相相相干干干干的。的。的。的。12/23/202248光的量子性与激光光的量子性与激光

50、光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收光的自发发射、受激发射和受激吸收2.2.受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收 处处处处于于于于低低低低能能能能级级级级E E1 1的的的的原原原原子子子子，受受受受到到到到频频频频率率率率为为为为 外外外外来来来来入入入入射射射射光光光光照照照照明明明明时时时时，可可可可以以以以吸吸吸吸收收收收光光光光子子子子能能能能量量量量 =h h =E E2 2-E E1 1而而而而跃迁到高能级跃迁到高能级跃迁到高能级跃迁到高能级E E2 2上的过程，称为上的过程，称为上的过程，称为上的过程，称为受激吸收受激吸收